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어떻게 나만의 특징이 만들어질까?

우리는 부모와 닮았으면서도 동시에 자신만의 고유한 특징을 지니고 살아갑니다. 외모나 기질처럼 눈에 띄는 부분부터 보이지 않는 생리적 특성까지, 생명체가 가진 모든 신체적·기질적 특성을 '형질'이라고 부릅니다. 수많은 형질이 복합적으로 어우러져 '나'라는 유일무이한 존재를 구성하게 됩니다. 부모와 닮았다는 것은 그들의 수많은 형질 중 일부가 자녀에게 전달되었음을 의미하며, 이는 생명의 연속성을 보여주는 가장 기본적인 원리이자 우리가 서로를 구분하는 기준이 됩니다. 형질이 결정되는 방식은 크게 유전적 요인과 비유전적 요인으로 나뉩니다. ABO 혈액형처럼 오직 유전 정보에 의해서만 결정되는 형질이 있는가 하면, 감기처럼 주변 환경이나 개인의 컨디션 등 비유전적 요인에 더 큰 영향을 받는 경우도 있습니다. 하지만 대부분의 형질은 이 두 가지 요인이 복합적으로 작용하여 나타납니다. 이러한 형질을 결정하는 핵심적인 유전 정보는 우리 몸속 DNA에 A, C, T, G라는 네 가지 염기 서열의 형태로 저장되어 있으며, 이것이 생명의 설계도 역할을 수행하며 우리 몸의 모든 기능을 조절하는 근간이 됩니다. 인간은 약 30억 개의 염기 서열로 이루어진 '유전체(Genome)'를 가지고 있습니다. 부모로부터 물려받은 유전 정보가 결합하여 형성된 이 염기 서열은 개인마다 조금씩 차이가 납니다. 연구에 따르면 전체 염기 서열 중 약 0.1%에 해당하는 300만에서 400만 개의 염기 서열이 사람마다 다른데, 이를 '유전 변이'라고 부릅니다. 비록 0.1%라는 수치는 작아 보일 수 있지만, 이 미세한 차이가 모여 타인과 구분되는 나만의 독특한 개성과 신체적 특징을 만들어내는 결정적인 원동력이 되며, 우리가 각기 다른 모습으로 살아가는 이유를 설명해 줍니다. 유전 변이는 형태에 따라 크게 단일 염기 변이(SNV)와 구조 변이(SV)로 구분됩니다. 단일 염기 변이(SNV)는 특정 위치의 염기 하나가 다른 종류로 바뀌는 가장 흔한 형태이며, 구조 변이(SV)는 염기 서열의 일부가 삭제되거나 추가되고, 혹은 순서가 뒤바뀌는 등 더 큰 규모의 변화를 의미합니다. 구조 변이(SV)는 단일 염기 변이(SNV)에 비해 발생 빈도는 낮지만, 한 번에 수많은 염기 서열에 영향을 미칠 수 있다는 특징이 있습니다. 이러한 다양한 형태의 유전 변이들은 우리가 타인과 구별되는 고유한 생물학적 정보를 담는 그릇이 되며, 유전학자들은 이를 통해 인간의 복잡한 유전적 다양성을 깊이 있게 연구하고 있습니다. 현대 유전학의 가장 큰 과제는 이러한 유전 변이들이 구체적으로 어떤 기능을 수행하는지 밝혀내는 것입니다. 암이나 알츠하이머와 같은 난치성 질환의 원인을 규명하는 것부터 개인의 잠재력을 예측하는 일까지, 유전 변이 연구는 인류의 건강과 미래를 바꿀 열쇠로 주목받고 있습니다. 앞으로 유전 정보 해독 기술이 더욱 정밀해진다면, 우리는 염기 서열만으로도 개인의 형질을 예측하고 맞춤형 건강 관리를 실현하는 시대를 맞이하게 될 것입니다. 이는 인간의 다양성을 깊이 이해하는 중요한 이정표가 될 것이며, 인류가 스스로의 생물학적 운명을 더 잘 이해하고 관리할 수 있게 해줄 것입니다.

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생명과학

[강연] 사람이 곧 벌레라니: miRNA의 발견과 진화적 의미_by 이준호 | 고등과학원&카오스재단 '2024 노벨상 해설강연' | 3강

예쁜꼬마선충은 몸길이가 1mm에 불과한 아주 작은 생물이지만, 현대 생물학에서 인간을 이해하는 데 결정적인 역할을 해왔습니다. 2024년 노벨 생리의학상은 이 작은 벌레에서 유전자 조절의 새로운 원리인 마이크로 RNA를 발견한 두 과학자에게 돌아갔습니다. 예쁜꼬마선충은 그 이름처럼 우아한 생명체는 아닐지 모르나, 단순한 구조 속에 복잡한 생명의 신비를 품고 있어 지금까지 네 차례나 노벨상의 주인공이 되었습니다. 이 작은 유기체를 통해 우리는 인간의 발생과 질병을 이해하는 새로운 창을 얻게 되었습니다. 예쁜꼬마선충이 과학의 무대에 오른 것은 1960년대 시드니 브레너의 혜안 덕분이었습니다. 그는 발생과 신경계의 비밀을 밝히기 위해 대장균보다 복잡하면서도 연구하기 쉬운 모델로 이 벌레를 선택했습니다. 이후 과학자들은 수정란에서 성체에 이르기까지 모든 세포의 분열 과정을 기록한 '세포 계보'를 완성했습니다. 이는 생명체의 모든 세포가 언제, 어디서, 무엇이 되는지를 완벽하게 파악한 인류 최초의 성과였습니다. 이러한 기초 연구는 유전자가 생명 현상을 어떻게 조절하는지 탐구하는 든든한 토대가 되었습니다. 세포 계보를 연구하던 중 과학자들은 놀라운 사실을 발견했습니다. 매번 똑같은 위치와 시간에 특정 세포들이 죽어 나가는 현상이 관찰된 것입니다. 이는 세포가 환경이 나빠서 죽는 것이 아니라, 유전적으로 결정된 '프로그램된 세포 사멸' 과정을 거친다는 것을 의미했습니다. 131개의 세포가 정해진 운명에 따라 사라지는 이 현상은 인간의 암이나 퇴행성 질환을 이해하는 핵심 열쇠가 되었습니다. 죽음조차 생명의 정교한 계획 일부라는 사실은 현대 의학에 엄청난 영감을 주었으며, 이는 예쁜꼬마선충 연구가 거둔 첫 번째 노벨상의 결실이었습니다. 예쁜꼬마선충 연구는 RNA 간섭 현상과 녹색 형광 단백질(GFP)의 활용이라는 혁신적인 도구들을 과학계에 선물했습니다. RNA 간섭은 특정 유전자의 기능을 억제하여 그 역할을 규명하는 강력한 방법론이 되었고, GFP는 살아있는 세포 안에서 단백질의 움직임을 실시간으로 관찰할 수 있게 해주었습니다. 이러한 기술적 진보는 생명과학의 패러다임을 바꾸어 놓았습니다. 각기 다른 분야를 연구하던 과학자들이 우연히 발견한 이 부산물들은, 결국 인류가 질병의 원인을 찾고 치료제를 개발하는 데 없어서는 안 될 필수적인 자산이 되었습니다. 올해 노벨상의 핵심인 마이크로 RNA의 발견은 발생의 '시간'을 연구하던 엉뚱한 호기심에서 시작되었습니다. 빅터 앰브로스와 게리 러브컨은 세포의 계보가 반복되거나 건너뛰는 돌연변이 유전자인 lin-4와 lin-14를 연구했습니다. 두 과학자는 서로의 연구 데이터를 공유하며 놀라운 사실을 알아냈습니다. 아주 작은 크기의 lin-4 RNA가 큰 lin-14 mRNA에 결합하여 단백질 합성을 방해한다는 것이었습니다. 이는 단백질 정보가 없는 작은 RNA 조각이 유전자 발현을 정교하게 조절할 수 있다는 사실을 세상에 처음으로 알린 역사적 순간이었습니다. 마이크로 RNA의 발견은 생명과학의 근본 원리인 '생명 중심 원리(Central Dogma)'에 새로운 화살표를 추가했습니다. DNA에서 RNA를 거쳐 단백질로 흐르는 정보의 흐름 속에, 마이크로 RNA라는 조절자가 개입하여 특정 단백질의 생성을 억제한다는 메커니즘이 밝혀진 것입니다. 처음에는 예쁜꼬마선충에게만 국한된 특이한 현상으로 치부되기도 했으나, 이후 let-7과 같은 마이크로 RNA가 인간을 포함한 다양한 생물종에 보존되어 있다는 사실이 확인되었습니다. 이로써 마이크로 RNA는 생명체의 발생과 분화를 조절하는 보편적인 원리로 자리 잡게 되었습니다. 과학의 역사는 때로 무지함이 축복이 될 수 있음을 보여줍니다. 게리 러브컨의 말처럼, 모르는 것을 하나씩 알아가는 과정에서의 즐거움과 끈질긴 호기심이 위대한 발견을 낳았습니다. 예쁜꼬마선충이라는 작은 벌레를 30년 넘게 들여다본 과학자들의 집념은 결국 인간을 이해하는 거대한 지표가 되었습니다. 바늘 하나로 코끼리를 쓰러뜨리듯, 작은 발견을 끝까지 추적하여 생명의 신비를 밝혀낸 이들의 여정은 우리에게 깊은 울림을 줍니다. 과학은 단순히 지식을 쌓는 과정이 아니라, 세상을 향한 끝없는 질문과 그 답을 찾아가는 즐거운 모험입니다.

이준호

카오스재단카오스크로스

생명과학

[연구뭐하지?] 에너지 저장고를 넘어서 대사성 질환의 핵심, 지방세포 연구_김재범 교수 | 서울대학교 “지방세포 및 에너지대사 연구실”

기초 과학을 연구하는 과학자에게 가장 필요한 덕목은 성실함과 꾸준함입니다. '진인사대천명'이라는 좌우명처럼, 매일의 관찰과 결과가 쌓여 비로소 하나의 성과가 만들어지기 때문입니다. 남들의 시선에 흔들리지 않고 자신이 가고자 하는 길을 묵묵히 걸어가는 태도는 연구자로서 삶을 배우는 소중한 과정이 됩니다. 이러한 마음가짐은 단순히 지식을 탐구하는 것을 넘어, 생명의 신비를 밝혀내기 위한 기초 과학의 단단한 토대가 됩니다. 지방 조직은 오랫동안 단순히 에너지를 저장하는 불필요한 기관으로 여겨져 왔습니다. 하지만 최근 연구에 따르면 지방 조직 안에는 지방 세포뿐만 아니라 면역 세포, 줄기 세포, 혈관 세포 등 다양한 세포들이 존재하며 서로 긴밀하게 소통합니다. 이러한 세포 간의 상호작용이 무너지면 비만, 당뇨, 고혈압과 같은 대사성 질환이 발생하게 됩니다. 따라서 지방 조직의 항상성 유지 기전을 밝히는 것은 현대인의 건강을 지키는 핵심적인 연구 분야입니다. 연구의 시작은 때로 우연한 기회에서 비롯되기도 합니다. 90년대 초반, 많은 이들이 근육이나 신경 세포 연구에 몰두할 때 상대적으로 관심이 적었던 지방 세포 분화 연구를 선택한 것은 일종의 행운이었습니다. 당시에는 블루오션이었던 이 분야가 현재는 비만과 당뇨에 대한 관심이 높아지며 치열한 레드오션으로 변모했습니다. 자신이 세운 가설을 실험을 통해 하나씩 검증해 나가는 과정에서 느끼는 성취감은 연구자가 계속해서 앞으로 나아갈 수 있게 하는 강력한 동력이 됩니다. 기초 과학의 원동력은 끝없는 지적 호기심에서 나옵니다. 생명 현상에 대한 궁금증은 남들이 가지 않은 험난한 길을 선택할 수 있는 용기를 줍니다. 하지만 이러한 난관을 혼자만의 힘으로 극복하기는 매우 어렵습니다. 동료들과 아이디어를 공유하고 건강한 비판을 주고받는 토론의 과정이 필수적입니다. "혼자 가면 빨리 가지만 함께 가면 멀리 간다"는 말처럼, 서로를 배려하고 협력하는 학문적 공동체 안에서 비로소 풀리지 않던 복잡한 문제의 실마리를 찾을 수 있습니다. 연구실의 가장 큰 특징은 학생들이 스스로 질문을 던지고 이를 해결해 나가는 독립적인 연구자로 성장하도록 돕는 것입니다. 교수님이 정해준 과제를 수행하는 것에 그치지 않고, 자신만의 논리를 개발하고 가설을 세우는 과정은 결코 쉽지 않습니다. 때로는 실험이 실패하기도 하지만, 수개월에서 수년 동안 질문을 숙성시키며 지혜를 모으는 시간은 박사 공부를 하는 데 있어 가장 중요한 시기입니다. 이러한 자율적인 연구 환경은 졸업 후에도 어디서든 인정받는 훌륭한 과학자로 성장하는 밑거름이 됩니다.

김재범

카오스재단연구뭐하지

생명과학

[강연] 유전과 환경: 무엇이 우리를 만드는가? _ by 김영준 ㅣ 2022 가을 카오스강연 '진화' 7강 | 7강

생명과학의 역사는 우리가 무엇으로 이루어져 있는지 탐구하는 긴 여정이었습니다. 멘델의 유전 법칙에서 시작해 DNA의 이중나선 구조가 밝혀지고, 마침내 인간 게놈 프로젝트를 통해 생명의 설계도를 손에 넣게 되었습니다. 하지만 설계도를 모두 안다고 해서 생명의 모든 신비가 풀린 것은 아니었습니다. 자동차의 부품 목록을 안다고 해서 그 자동차가 어떻게 도로를 달리고 시간에 따라 어떻게 변하는지 전부 이해할 수 없는 것과 마찬가지입니다. 유전자는 고정된 정보이지만, 그것이 실제로 어떻게 발현되는지는 또 다른 차원의 문제였기 때문입니다. 유전자가 모든 것을 결정한다는 믿음은 여러 현상 앞에서 한계에 부딪혔습니다. 유전 정보가 완벽히 동일한 일란성 쌍둥이가 성장하면서 외모와 성격, 질병의 양상이 달라지는 것이 대표적인 예입니다. 또한 우리 몸의 근육 세포와 신경 세포는 모두 같은 DNA를 가지고 있지만, 그 형태와 기능은 완전히 다릅니다. 이는 동일한 설계도 안에서도 특정 부분은 활성화되고 다른 부분은 잠겨 있다는 것을 의미합니다. 이러한 현상을 설명하기 위해 등장한 것이 바로 유전자 너머의 조절 시스템을 연구하는 후성유전학입니다. 후성유전학은 DNA 염기서열 자체를 바꾸지 않으면서 유전자의 스위치를 켜고 끄는 메커니즘을 다룹니다. 우리 몸의 핵 안에는 거대한 DNA가 실타래처럼 감겨 있는데, 이 실타래를 구성하는 히스톤 단백질에 표식을 남기거나 DNA 자체에 메틸기를 붙여 유전자의 접근성을 조절합니다. 마치 도서관의 수많은 책 중에서 어떤 책은 대출 가능하게 열어두고, 어떤 책은 창고에 깊숙이 넣어두는 것과 같습니다. 이러한 정교한 조절 시스템 덕분에 우리 몸의 세포들은 각자의 역할을 수행하며 생명 활동을 이어갈 수 있습니다. 흥미로운 점은 이러한 유전자 스위치가 우리가 처한 환경과 생활 습관에 의해 끊임없이 변화한다는 사실입니다. 무엇을 먹는지, 어떤 스트레스를 받는지에 따라 유전자의 발현 양상이 달라집니다. 예를 들어 임신 중인 쥐가 섭취한 영양분은 새끼의 털 색깔과 비만 여부를 결정짓는 후성유전적 표식을 바꿀 수 있습니다. 이는 유전자가 단순히 부모로부터 물려받은 고정된 운명이 아니라, 환경과의 상호작용을 통해 실시간으로 업데이트되는 유연한 시스템임을 시사하며 우리 삶의 태도에 중요한 시사점을 던집니다. 노화와 질병 역시 후성유전학적 관점에서 새롭게 해석됩니다. 나이가 들수록 세포 내의 후성유전적 장벽이 무너지면서 유전자 발현의 이질성이 커지는데, 이를 '후성유전적 표류'라고 부릅니다. 암세포의 경우 유전자 돌연변이뿐만 아니라, 정상적인 유전자 스위치가 잘못 작동하여 발생하기도 합니다. 하지만 후성유전적 변화는 가역적이라는 희망적인 특징이 있습니다. 잘못 켜진 스위치를 다시 끄거나 잠긴 유전자를 깨우는 방식으로 질병을 치료하고 건강을 회복할 수 있는 가능성이 열려 있는 것입니다. 후성유전학은 개체의 생애를 넘어 진화의 영역으로까지 논의를 확장합니다. 사자와 호랑이의 교배종인 라이거와 타이곤이 서로 다른 체구와 특성을 갖는 이유는 부모로부터 물려받은 유전 각인 때문입니다. 특정 환경에서 획득한 후성유전적 형질이 다음 세대로 전달될 수 있다는 증거들이 발견되면서, 진화는 수만 년에 걸친 돌연변이의 축적뿐만 아니라 후성유전적 적응을 통해서도 일어날 수 있음이 밝혀지고 있습니다. 이는 생명체가 환경에 적응하는 방식이 우리가 생각했던 것보다 훨씬 역동적임을 보여줍니다. 결국 후성유전학은 우리에게 '운명은 결정되어 있지 않다'는 메시지를 던집니다. DNA라는 설계도는 바꿀 수 없지만, 그 설계도를 어떻게 읽고 활용할지는 우리의 선택과 환경에 달려 있습니다. 유전과 환경은 서로 대립하는 요소가 아니라, 생명이라는 거대한 오케스트라를 함께 연주하는 파트너입니다. 앞으로 후성유전체에 대한 연구가 깊어질수록 우리는 생명의 기원과 진화의 과정을 더 명확히 이해하게 될 것입니다. 이는 인류가 자신의 건강과 미래를 스스로 설계해 나가는 중요한 열쇠가 될 것입니다.

김영준

카오스재단카오스강연

생명과학

[인터뷰] 김영준 _ 후성유전학으로 슈퍼 휴먼을 만들 수 있을까? | 2022 카오스강연 '진화'

생명체는 단순히 부모로부터 물려받은 유전 정보의 집합체 그 이상입니다. 우리 몸을 구성하는 수조 개의 세포는 모두 동일한 DNA를 가지고 있지만, 각기 다른 기능을 수행하며 조화롭게 작동합니다. 이는 유전자가 단순히 설계도 역할을 하는 것에 그치지 않고, 상황에 따라 특정 부분이 켜지거나 꺼지는 정교한 조절 과정을 거치기 때문입니다. 이러한 생명의 신비는 현대 생물학의 핵심적인 연구 주제가 되고 있으며, 우리가 생명을 이해하는 방식을 근본적으로 바꾸어 놓았습니다. 최근 주목받는 후성유전학은 유전자 염기서열 자체의 변화 없이도 유전자 발현이 조절되는 현상을 다룹니다. 우리가 먹는 음식, 생활 습관, 그리고 처한 환경은 유전자에 일종의 '꼬리표'를 붙여 그 기능을 변화시킵니다. 이는 타고난 유전자가 운명을 결정짓는 절대적인 요소가 아님을 시사합니다. 즉, 후천적인 노력과 환경 개선을 통해 유전적 잠재력을 최적화하고 질병을 예방할 수 있는 가능성이 열려 있는 것입니다. 이러한 관점은 현대인의 건강 관리에 있어 매우 중요한 시사점을 제공합니다. 세포 내에서 유전자 발현을 조절하는 대표적인 기전으로는 DNA 메틸화와 히스톤 변형이 있습니다. DNA의 특정 부위에 메틸기가 결합하면 해당 유전자의 스위치가 꺼지게 되며, 히스톤 변형은 DNA의 응축 정도를 조절하여 유전 정보에 대한 접근성을 결정합니다. 이러한 화학적 변화들은 세포의 기억으로 남아 다음 세대로 전달되기도 하며, 노화나 암과 같은 다양한 생리적 현상과 밀접하게 연관되어 있습니다. 이는 분자 수준에서 일어나는 매우 정교하고 복잡한 생화학적 반응의 결과물입니다. 노화 과정에서 나타나는 후성유전학적 변화는 생체 시계의 역할을 하기도 합니다. 나이가 들면서 특정 유전자의 메틸화 패턴이 변하는 현상을 분석하면, 실제 달력상의 나이와는 다른 생물학적 연령을 측정할 수 있습니다. 이는 개인의 건강 상태를 정밀하게 진단하고 맞춤형 관리를 제공하는 데 중요한 지표가 됩니다. 결국 건강한 노년은 유전적 요인과 후천적 관리가 결합된 결과물이라고 할 수 있으며, 이를 통해 우리는 더 건강한 삶을 설계할 수 있는 과학적 근거를 얻게 됩니다. 미래 의학의 핵심은 개인의 유전적 특성과 후성유전학적 상태를 동시에 고려하는 정밀 의료에 있습니다. 특정 질병에 취약한 유전자를 가졌더라도, 후성유전학적 조절을 통해 질병의 발현을 억제하거나 지연시키는 치료법이 개발되고 있습니다. 이러한 연구는 암 치료뿐만 아니라 대사 질환, 신경 퇴행성 질환 등 다양한 분야에서 혁신적인 돌파구를 마련할 것으로 기대됩니다. 인류는 이제 유전자의 지배를 받는 존재에서 유전자를 이해하고 조절하는 주체로 거듭나고 있으며, 이는 의학의 패러다임을 바꿀 것입니다.

김영준

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생명과학

[인터뷰] 김상욱 _ 몸이 전부 기계로 바뀌어도 동일한 인간일까? | 2022 카오스강연 '진화'

현대 생명과학에서 생물정보학은 유전자와 의료 정보를 분석하여 질병의 원인을 찾고 최적의 치료법을 제시하는 핵심적인 역할을 수행합니다. 과거에는 생명체를 구성하는 물질이나 형태에 주목했지만, 이제는 데이터의 축적과 가공을 통해 생명 현상을 이해하는 시대로 접어들었습니다. 코로나19 바이러스의 변이를 추적하고 백신을 개발하는 과정에서 알 수 있듯이, 유전자 서열을 해독하는 능력은 인류의 생존과 직결된 중요한 과제가 되었습니다. 인간의 정체성을 결정짓는 요소는 단순히 특정 장기의 기능에 국한되지 않습니다. 개인이 살아오며 겪은 독특한 생활사와 경험들이 축적되어 고유한 자아를 형성하며, 이는 유전 정보 그 이상의 의미를 집약하고 있습니다. 따라서 물리적인 변화가 일어난다고 해도 그 사람의 본질이 그대로 유지된다고 보기는 어렵습니다. 이러한 관점은 유전 정보를 단순한 수치가 아닌 한 존재가 걸어온 역사로 인식하게 만듭니다. 면역 체계가 외부 항원을 기억하여 질병에 대응하는 원리는 생명과학의 놀라운 신비 중 하나입니다. 질병을 극복한 사람의 혈액에서 항체를 찾아 치료제로 활용하거나, 바이러스의 유전 정보를 학습시켜 백신을 만드는 기술은 이미 현대 의학의 핵심으로 자리 잡았습니다. 이러한 면역학적 원리를 응용하면 생명체가 정보를 습득하고 저장하는 방식을 새롭게 이해할 수 있으며, 이는 향후 인류의 학습 방식에도 혁신적인 변화를 가져올 가능성을 시사합니다. 진화의 증거는 멀리 있는 것이 아니라 우리 몸속의 유전자 서열 안에 고스란히 남아 있습니다. 종 사이의 미세한 유전적 차이가 생명의 다양성을 만들어내며, 발생 과정에서의 변화가 진화의 결정적인 단서를 제공하기도 합니다. 또한, 유전적 다양성을 존중하는 태도는 과학적 사실을 넘어 윤리적으로도 중요합니다. 인위적인 조작을 통해 완벽함을 추구하기보다는, 진화가 만들어낸 자연스러운 다양성의 가치를 이해하는 것이 생명과학의 본질입니다. 분자유전학은 보이지 않는 진화의 과정을 명확한 증거로 풀어내는 학문입니다. 유전자 서열 분석을 통해 특정 질병에 대한 취약성을 파악하고, 환경이나 문화가 인간의 변이에 어떤 영향을 미치는지 규명할 수 있습니다. 바이러스의 진화 경로를 예측하여 미래의 팬데믹에 대비하는 것처럼, 유전 정보의 차이를 분석하는 일은 생명의 역사를 이해하는 열쇠가 됩니다. 결국 진화란 유전 정보의 끊임없는 변화와 축적이며, 이를 통해 우리는 생명의 나무가 뻗어 나가는 원리를 깨닫게 됩니다.

김상욱

카오스재단석학인터뷰

생명과학

[인터뷰] 명경재_손상된 DNA를 치료하는 기술은 어떤 수준인가요?

유전체 정보의 분석 기술은 현대 사회에서 범죄 수사와 질병 예방 등 다양한 분야에 혁신을 가져왔습니다. 개인마다 조금씩 다른 염기서열을 활용해 범인을 특정하거나 미래의 질병을 예측하는 일은 이미 현실이 되었습니다. 하지만 이러한 기술의 발전은 유전적 특징으로 인간의 가치를 판단하는 우생학적 위험이나 개인 정보 침해와 같은 윤리적 고민을 동반합니다. 영화 '가타카'에서 묘사된 것처럼 유전자가 직업과 신분을 결정짓는 사회가 되지 않도록, 기술의 혜택과 잠재적 부작용 사이의 균형을 맞추는 지혜가 필요합니다. 유전체 연구의 핵심 중 하나인 DNA 복구는 생명체가 생존을 위해 필수적으로 수행하는 자연적인 과정입니다. 현재 과학계는 이러한 복구 과정에 관여하는 다양한 효소들의 작용 원리를 깊이 있게 연구하고 있으나, 이를 실제 질병 치료에 응용하는 단계는 아직 초기 단계에 머물러 있습니다. 특정 효소가 필요한 시점에 정확한 손상 부위로 이동하도록 정밀하게 제어하는 기술적 과제가 남아있기 때문입니다. 한국의 유전체 기술력은 이미 세계적 수준에 도달해 있으며, 이제는 단순한 기술 습득을 넘어 창의적인 아이디어로 무장한 연구자들의 역할이 더욱 중요해진 시점입니다. 기초과학연구원(IBS)은 연구자들이 창의적인 연구에 몰입할 수 있는 환경을 제공하며, 기술 사업화와 특허 출원을 적극적으로 장려하고 있습니다. 특히 미국 국립보건원(NIH)과 같은 해외 선진 연구 기관에서의 경험을 바탕으로, 더 큰 규모의 연구단을 구성하여 시너지를 내는 구조는 한국 기초과학의 경쟁력을 높이는 핵심 동력이 됩니다. 연구 단장으로서 연구의 질을 높이는 동시에, 연구원들이 독립적인 창업을 통해 기술을 사회에 환원할 수 있도록 돕는 체계적인 시스템은 과학 기술의 선순환 구조를 만드는 데 기여하고 있습니다. 새로운 과학적 발견은 때로 기존 학계의 강력한 편견과 부딪히며 시련을 겪기도 합니다. 포유류에게는 존재하지 않는다고 믿어왔던 DNA 복구 기작을 새롭게 발견했을 때, 권위 있는 학자들로부터 부정적인 평가를 받으며 논문 게재에 어려움을 겪었던 사례가 대표적입니다. 하지만 진실을 향한 끈기 있는 연구는 결국 시간이 흐른 뒤 수많은 인용과 후속 연구로 그 가치를 증명받게 됩니다. 이러한 과정은 신진 연구자가 독립적인 연구자로 성장하는 과정에서 겪는 가장 힘든 고비이자, 과학적 자부심을 형성하는 소중한 자산이 됩니다. 생명과학자와 임상 의사 사이의 원활한 소통은 기초 연구가 실제 의료 현장에 적용되기 위해 반드시 넘어야 할 산입니다. 서로 다른 전문 용어와 관점을 가진 두 집단이 협력하기 위해서는 잦은 만남과 대화를 통해 서로의 영역을 이해하려는 노력이 필수적입니다. 각자가 잘하는 분야에 집중하되 공동 연구라는 틀 안에서 서로의 부족한 점을 보완할 때, 비로소 과학적 발견이 질병 치료라는 실질적인 성과로 이어질 수 있습니다. 소통의 장을 넓히고 협력의 가치를 존중하는 문화야말로 미래 과학 기술 발전을 이끄는 진정한 힘입니다.

명경재

카오스재단석학인터뷰

생명과학

[강연] 세포는 외부 신호를 어떻게 감지할까? _ by최희정 ㅣ 2021 가을 카오스강연 '과학의 희열' 4강 | 4강

우리 세포는 외부 환경과 끊임없이 소통하며 생명을 유지합니다. 세포는 단순히 고립된 존재가 아니라, 외부에서 들어오는 다양한 화학 물질이나 물리적인 자극, 그리고 전기적인 신호를 감지하고 그에 적절한 반응을 나타내는 정교한 시스템을 갖추고 있습니다. 이러한 신호 감지는 나노미터 단위의 아주 미세한 수준에서 일어나며, 우리가 일상에서 마시는 커피 속 카페인이 각성 효과를 내는 과정 역시 세포가 특정 화학 물질을 인지하여 신호를 전달한 결과입니다. 세포는 외부 신호의 미세한 차이를 구별하여 서로 다른 반응을 이끌어냄으로써 생존에 필요한 항상성을 유지합니다. 세포가 외부 신호를 가장 먼저 맞닥뜨리는 곳은 세포의 경계면인 세포막입니다. 세포막은 물과 섞이지 않는 지질 성분으로 이루어진 이중 막 구조로, 세포 내부와 외부를 분리하는 성벽과 같은 역할을 합니다. 하지만 세포는 외부와 완전히 단절되어서는 안 되기에, 세포막에는 외부와 소통을 담당하는 막 단백질들이 존재합니다. 우리 몸 전체 단백질의 약 30%를 차지하는 이 막 단백질들은 외부 신호를 인지하여 내부로 전달하거나, 필요한 물질이 드나드는 통로 역할을 수행합니다. 이들은 세포가 외부 환경의 변화에 유연하게 대응할 수 있도록 돕는 핵심적인 매개체입니다. 막 단백질의 가장 중요한 소양은 신호 전달의 정확성입니다. 외부 신호가 없는데도 신호가 있는 것처럼 행동하거나, 꼭 필요한 신호를 놓치게 되면 세포의 정상적인 기능이 무너져 질병으로 이어질 수 있습니다. 예를 들어 성장 인자가 없는데도 수용체가 계속해서 증식 신호를 보내면 암이 발생할 수 있고, 인슐린 신호를 제대로 전달하지 못하면 당뇨병이 유발됩니다. 이처럼 세포막 단백질은 외부의 정보를 정확하게 읽어내어 세포 내부의 반응을 조절하는 막중한 임무를 띠고 있습니다. 따라서 이들의 구조와 기능을 이해하는 것은 생명 현상의 본질을 파악하고 질병을 치료하는 데 매우 중요합니다. 세포막을 통과하는 물질의 흐름을 조절하는 대표적인 단백질은 채널입니다. 세포막은 지질로 이루어져 있어 이온이나 친수성 분자가 마음대로 통과할 수 없지만, 특정 이온 채널은 소듐이나 포타슘 같은 이온을 선택적으로 투과시킵니다. 특히 포타슘 채널은 자신보다 크기가 작은 소듐 이온은 걸러내고 포타슘 이온만 정확하게 통과시키는 놀라운 정교함을 보여줍니다. 이는 단백질 내부의 아미노산들이 이온과 결합할 때 발생하는 에너지 차이를 이용한 것으로, 인간이 만든 어떤 기계보다도 효율적이고 정교한 필터 역할을 수행합니다. 이러한 선택적 투과는 세포의 전위차를 형성하여 신호 전달의 기초가 됩니다. 이온 채널은 외부 자극에 따라 문을 열고 닫으며 신호를 조절합니다. 전압 개폐성 채널은 세포막의 전위 변화를 감지하여 구조를 바꾸고, 리간드 개폐성 채널은 특정 화학 물질이 결합할 때 통로를 엽니다. 예를 들어 신경 전달 물질인 가바(GABA)가 수용체에 결합하면 단백질 구조가 뒤틀리며 이온이 통과할 수 있는 길이 열리게 됩니다. 또한 우리가 매운 고추를 먹었을 때 열감을 느끼는 것은 캡사이신 성분이 온도를 감지하는 이온 채널에 결합하여 전기적 신호를 발생시키기 때문입니다. 이처럼 단백질의 역동적인 구조 변화는 외부의 물리적, 화학적 자극을 생체 신호로 변환하는 핵심 기전입니다. 수용체 단백질 중 하나인 G단백질 연결 수용체(GPCR)는 우리 몸에서 가장 다양한 신호를 처리하는 패밀리입니다. 아드레날린, 도파민, 히스타민과 같은 호르몬이나 신경 전달 물질들이 이 수용체에 결합하면, 수용체의 구조가 변하면서 세포 내부의 G단백질과 상호작용하여 신호를 증폭시킵니다. 우리가 흔히 복용하는 약물의 상당수가 바로 이 GPCR을 타깃으로 하여 질병을 치료합니다. 카페인이 아데노신 수용체에 대신 결합하여 졸음을 막거나, 천식 치료제가 아드레날린 수용체를 활성화해 기관지를 확장하는 것이 대표적인 사례입니다. 수용체와 리간드의 특이적인 결합은 현대 의학의 중요한 기반이 됩니다. 눈으로 볼 수 없는 나노 세계의 단백질 구조를 밝혀내는 것은 현대 생명과학의 거대한 도전입니다. 과학자들은 X선 결정학을 통해 단백질 결정을 분석하거나, 극저온 전자 현미경(Cryo-EM)으로 단백질 분자를 급속 냉동하여 3차원 구조를 규명합니다. 이러한 구조 생물학적 연구를 통해 우리는 단백질이 어떻게 신호를 감지하고 움직이는지 원자 수준에서 이해할 수 있게 되었습니다. 규명된 구조 정보는 전 세계 과학자들과 공유되어 새로운 치료제 개발과 생명 현상의 비밀을 푸는 데 기여하고 있습니다. 보이지 않는 미세한 구조 속에 생명의 정교한 설계도가 담겨 있는 셈입니다.

최희정

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생명과학

[연구뭐하지] 박승범 교수_서울대학교 '화학생물학 연구실' | 화학부에서 분자생물학 연구를? 그래서 더 다채로운 바이오 연구를 할 수 있는 곳!

생명 현상은 신비롭고 복잡하지만, 그 본질을 들여다보면 단백질, DNA, RNA와 같은 분자들의 정교한 상호작용으로 이루어져 있습니다. 화학생물학은 이러한 분자 수준에서의 화학적 상호작용을 이해하고 조절함으로써 생명의 비밀을 풀어나가는 학문입니다. 서울대학교 화학부 화학생물학 연구실은 이러한 기초적인 이해를 바탕으로 질병을 치료할 수 있는 새로운 치료제를 개발하는 데 매진하고 있습니다. 분자 수준의 통찰력은 복잡한 생명 현상을 명확하게 규명하는 강력한 도구가 됩니다. 연구실에서는 유기화학적 지식을 기반으로 인체의 신비를 탐구하며, 특히 다양한 질병 모델을 활용한 표현형 기반 스크리닝을 진행합니다. 발굴된 화합물이 어떤 단백질을 표적으로 삼는지, 그리고 어떤 생리적 기전을 통해 치료 효과를 나타내는지 파악하기 위해 TS-FITGE와 같은 독창적인 연구 기법을 활용합니다. 이는 단순히 물질을 발견하는 것에 그치지 않고, 그 물질이 생체 내에서 작용하는 구체적인 경로를 과학적으로 입증하여 신약 개발의 가능성을 높이는 중요한 과정입니다. 이곳의 유기합성 연구는 일반적인 유기화학과는 차별화된 지향점을 가집니다. 단순히 새로운 반응론을 개발하는 것에 머물지 않고, 그 반응이 생물학적으로 어떤 의미를 갖는지 끊임없이 자문합니다. 생물학적 활성이 기대되는 구조를 설계하여 합성하거나, 생명 현상을 실시간으로 관측할 수 있는 형광 분자를 제작하는 등 모든 합성 과정의 중심에는 생물학적 가치가 자리 잡고 있습니다. '왜 이 물질을 만드는가'에 대한 확고한 해답은 연구자들에게 강력한 동기를 부여하며 질병 치료라는 목표를 향해 나아가게 합니다. 연구의 효율성을 극대화하기 위한 아낌없는 지원과 최첨단 시설은 이 연구실의 큰 자랑입니다. 유기합성부터 바이오 실험까지 모든 단계를 한곳에서 마무리할 수 있도록 국내 최고 수준의 장비와 리소스를 갖추고 있습니다. 특히 연구자의 시간을 소중히 여기는 철학에 따라, 학생들이 연구에만 몰두할 수 있는 환경을 조성하는 데 지원을 아끼지 않습니다. 이러한 인프라는 학생들이 각자의 프로젝트를 독립적이면서도 전문적으로 수행할 수 있게 돕는 든든한 밑거름이 되어 줍니다. 다양한 전공 배경을 가진 인재들이 모여 협력하는 문화는 연구실을 더욱 풍요롭게 만듭니다. 교수님은 자신을 정원사에 비유하며, 학생들이 각자의 재능과 관심에 따라 스스로 성장할 수 있도록 돕는 조력자 역할을 자처합니다. 획일적인 방향을 강요하기보다 각자의 나무가 가장 예쁜 꽃을 피울 수 있도록 적절한 가지치기와 지원을 제공하는 것입니다. 미래의 유망한 분야를 쫓기보다 자신이 진정으로 좋아하는 것이 무엇인지 깨닫고 이를 깊이 있게 탐구할 때, 연구자로서의 진정한 성장이 시작됩니다.

박승범

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[술술과학] 건강과학(3) | 백신 : 천연두 정복사

에릭 시걸의 소설 <닥터스>에는 의학적으로 치료법이 입증된 질병이 단 26가지뿐이라는 대사가 나옵니다. 비록 소설 속 허구일지라도, 이는 인류가 질병을 완전히 정복하는 것이 얼마나 어려운 일인지를 잘 보여주는 대목입니다. 실제로 인류가 지구상에서 완전히 박멸했다고 선언한 감염병은 단 두 가지뿐입니다. 1979년 박멸된 인간의 천연두와 2011년 발표된 동물의 우역이 그 주인공입니다. '바이러스는 절대 박멸할 수 없다'는 오랜 통념을 깨고 인류가 거둔 이 위대한 승리는 의학사에서 가장 기념비적인 사건 중 하나로 기록되어 있습니다. 천연두는 인류 역사 내내 '죽음의 전령'으로 군림하며 수많은 문명을 위협해 왔습니다. 기원전 430년 아테네를 휩쓸어 전쟁의 판도를 바꾸기도 했으며, 16세기에는 스페인 정복자들이 가져온 바이러스가 아즈텍과 잉카 제국을 멸망시키는 결정적인 원인이 되었습니다. 심지어 의학이 비약적으로 발달하기 시작한 20세기에도 전 세계적으로 3억 명 이상의 목숨을 앗아갈 만큼 그 위세는 대단했습니다. 이처럼 끈질기게 인류를 괴롭혀온 천연두를 극복하기 위한 노력은 아주 오래전부터 민간요법의 형태로 시작되어 점차 과학적인 체계를 갖추게 되었습니다. 18세기 영국 귀족 메리 몬태규 부인은 오스만 제국에서 목격한 인두법을 유럽에 전파하며 천연두 예방의 기틀을 마련했습니다. 이후 영국의 의사 에드워드 제너는 소의 천연두인 우두에 걸린 사람은 천연두에 걸리지 않는다는 사실에 착안하여 '우두법'을 창시했습니다. 라틴어로 소를 뜻하는 '바카(vacca)'에서 유래한 이 방법은 오늘날 우리가 사용하는 '백신'이라는 용어의 기원이 되었습니다. 1840년 위험부담이 컸던 인두법 대신 백신이 공식 승인되면서 인류는 비로소 가장 강력하고 안전한 질병 방어 수단을 손에 넣게 되었습니다. 백신은 크게 독성을 약화시킨 생백신과 병원체를 사멸시킨 사백신으로 나뉩니다. 생백신은 강력한 면역 반응을 유도하지만 살아있는 미생물을 다루기에 저온 유통 체계인 '콜드체인'이 필수적입니다. 반면 사백신은 안전성이 높지만 면역 반응이 상대적으로 약해 추가 접종이 필요하다는 특징이 있습니다. 최근에는 백신의 오염 여부를 확인하기 위해 '살아있는 화석'이라 불리는 투구게의 파란 피를 활용하기도 합니다. 투구게의 혈액 성분인 코아글로겐은 극미량의 세균에도 민감하게 반응하여 젤 형태로 변함으로써 백신의 안전성을 검증하는 중요한 역할을 수행합니다. 천연두는 1979년 공식적으로 박멸되었지만, 그 과정에서 실험실 사고로 인한 안타까운 희생도 있었습니다. 현재 천연두 바이러스는 미국의 CDC와 러시아의 벡터 연구소 두 곳에만 보관되어 있으며, 이는 인류에게 여전히 생물학적 재난의 위험이 잠재해 있음을 시사합니다. 인류가 이룩한 과학적 성취는 눈부시지만, 이를 관리하는 인간의 이성이 마비되는 순간 치명적인 팬데믹은 언제든 다시 시작될 수 있습니다. 정복의 역사 뒤에 숨겨진 경고를 잊지 않고 철저한 대비와 윤리적 책임감을 갖추는 것이 다가올 미래의 위협으로부터 우리를 지키는 길입니다.

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[노벨상 해설강연] 노벨화학상: 다가오는 유전자 교정 시대_ 배상수｜카오스재단 x 고등과학원 '2020 노벨상 해설강연' | 3강

지구상의 모든 생명체는 세포를 기본 단위로 하며, 그 안에는 생명 활동을 영위하고 정보를 전달하는 유전 물질인 DNA가 존재합니다. DNA는 아데닌, 구아닌, 사이토신, 티민이라는 네 가지 염기로 이루어진 일종의 문자열과 같습니다. 우리가 외국어를 공부하여 그 의미를 이해하듯, DNA의 서열을 읽고 쓰는 기술은 생명의 신비를 풀기 위한 핵심적인 도구입니다. 특히 유전자 가위 기술은 DNA를 직접 표적화하여 정보를 수정함으로써, 유전자의 기능과 원리를 규명하고 질병을 치료할 수 있는 가능성을 열어주었습니다. 유전자 교정의 역사는 1960년대 제한 효소의 발견으로부터 시작되었습니다. 초기에는 특정 염기 서열을 인식해 자르는 제한 효소를 이용해 인슐린을 대량 생산하는 등 유전공학의 혁명을 일으켰으나, 인간과 같은 복잡한 생명체에 적용하기에는 한계가 있었습니다. 인식하는 서열이 너무 짧아 원치 않는 부위가 함께 잘리는 문제가 있었기 때문입니다. 이후 단백질을 이용해 정밀도를 높인 1세대 징크 핑거와 2세대 탈렌 기술이 개발되었지만, 제작 과정이 까다롭고 비용이 많이 들어 대중적으로 활용되기에는 어려움이 따랐습니다. 3세대 기술인 크리스퍼 유전자 가위는 구조가 단순하고 제작이 쉬워 유전자 교정의 대중화를 이끌었습니다. 이 기술은 박테리아가 바이러스의 공격에 대항하기 위해 갖춘 후천적 면역 체계에서 착안한 것으로, 특정 DNA를 찾아가는 가이드 RNA와 절단 역할을 하는 단백질로 구성됩니다. 에마뉘엘 샤르팡티에와 제니퍼 다우드나는 이 시스템을 인공적으로 재설계하여 효율적인 도구로 만들어낸 공로로 노벨 화학상을 수상했습니다. 이제 연구자들은 RNA 서열만 교체함으로써 원하는 유전자를 자유자재로 교정할 수 있는 강력한 수단을 갖게 되었습니다. 크리스퍼 유전자 가위 기술은 기초 과학 연구부터 실생활 응용까지 광범위한 변화를 가져왔습니다. 실험실에서는 특정 유전자가 제거된 형질 전환 동물을 단기간에 만들어 질병 모델 연구에 활용하며, 농업 분야에서는 갈변하지 않는 버섯이나 기후 변화에 강한 작물을 개발하고 있습니다. 의료 분야에서는 환자의 세포를 체외에서 교정해 다시 주입하거나, 체내 특정 기관에 유전자 가위를 직접 전달하여 희귀 질환을 치료하는 연구가 활발히 진행 중입니다. 심지어 멸종 동물의 복원이나 특정 유전자를 종 전체에 확산시키는 유전자 드라이브 기술까지 논의되고 있습니다. 유전자 교정 기술이 인간 배아에 적용되면서 사회적, 윤리적 논란이 제기되기도 했지만, 이는 기술의 발전 과정에서 반드시 거쳐야 할 숙제입니다. 과거 시험관 아기 기술이 처음 등장했을 때도 많은 우려가 있었으나, 현재는 수많은 난임 부부에게 희망을 주는 보편적인 기술로 자리 잡았습니다. 유전자 가위 역시 법적, 제도적 틀 안에서 안전하게 관리된다면 인류의 건강과 복지에 크게 기여할 것입니다. 상상 속의 미래가 현실이 되는 시대에, 우리는 이 강력한 도구를 지혜롭게 통제하고 활용하여 더 나은 세상을 만들어가야 합니다.

배상수

카오스재단노벨상/필즈상 해설강연

생명과학

[연구뭐하지?] 천종식 교수 _서울대학교 '진화생명정보학 연구실' | 공생 세균을 연구하면 많은 질병을 예방, 치료할 수 있습니다!

서울대학교 진화생명정보학 연구실은 세균의 진화 과정을 추적하여 생명의 근원적 원리를 탐구하는 곳입니다. 천종식 교수님의 지도 아래, 이곳은 세균이 환경에 적응하고 변화하는 기전을 분석함으로써 병원균에 의한 질병을 깊이 있게 이해하고자 노력합니다. 미생물은 인간에 비해 진화 속도가 압도적으로 빠르기 때문에, 이들의 유전체 변화를 실시간으로 파악하는 것은 현대 의학에서 매우 중요한 위치를 차지합니다. 이러한 기초 연구는 단순히 지식을 쌓는 것을 넘어, 질병의 예방과 치료를 위한 실질적인 전략을 수립하는 데 결정적인 역할을 수행하고 있습니다. 또한, 우리 몸과 공생하는 미생물 집단인 마이크로바이옴을 연구하여 건강 증진의 새로운 가능성을 제시합니다. 이곳의 연구 환경은 흔히 '목장'에 비유될 만큼 높은 자율성을 자랑합니다. 교수님은 연구원들에게 넓은 탐구의 장을 제공하며, 학생들이 스스로 관심 있는 주제를 찾아 자유롭게 연구할 수 있도록 독려합니다. 통계학, 계산생물학, 컴퓨터공학 등 서로 다른 전공을 가진 인재들이 모여 협력하는 다학제적 분위기는 이 연구실만의 독특한 자산입니다. 학생들은 자신의 연구에 대해 책임을 지는 동시에, 필요한 자원을 전폭적으로 지원받으며 창의적인 연구자로 성장해 나갑니다. 이러한 자율적인 문화는 연구의 즐거움을 극대화하는 원동력이 됩니다. 연구원들은 각자의 전문성을 바탕으로 복잡한 생명 현상을 다각도에서 조명하며 학문적 성취를 이뤄냅니다. 생명정보학 연구의 주된 과정은 방대한 유전체 데이터를 가공하고 분석하여 시각화하는 작업으로 이루어집니다. DNA 서열과 같은 복잡한 글자 나열에서 유의미한 패턴을 찾아내고, 이를 통해 미생물의 계통학적 위치를 규명하는 것이 핵심입니다. 특히 최근 주목받는 프로바이오틱스 연구 등은 모두 이러한 탄탄한 미생물 계통학적 이론 위에 세워져 있습니다. 화려한 분석 기술도 중요하지만, 그 근간이 되는 이론적 배경이 없다면 진정한 과학적 가치를 인정받기 어렵습니다. 따라서 연구원들은 기술적 숙련도와 함께 깊이 있는 학문적 토대를 닦는 데 매진하고 있습니다. 이러한 이론적 엄밀함은 데이터 분석의 신뢰성을 높이고 연구의 질적 수준을 보장하는 핵심 요소가 됩니다. 우리가 태어날 때부터 고정적으로 갖게 되는 유전체와 달리, 메타게놈은 식습관이나 스트레스 등 외부 요인에 따라 역동적으로 변화하는 특성을 지닙니다. 연구실에서는 이러한 오믹스 기반 기술을 활용하여 현대인의 건강을 위협하는 다양한 만성 질환과 미생물 사이의 연결 고리를 정밀하게 추적합니다. 이는 단순한 관찰을 넘어 질병의 근본 원인을 규명하고 새로운 치료 패러다임을 제시하는 중요한 열쇠가 됩니다. 특히 장내 미생물 데이터를 통해 질환의 발생 가능성을 가늠하는 연구는 정밀 의료를 실현하는 데 있어 매우 중요한 과학적 근거를 제공합니다. 이러한 연구는 개인 맞춤형 헬스케어 서비스를 실현하는 데 있어 매우 중요한 과학적 근거를 제공합니다. 연구실이 지향하는 이상적인 인재는 스스로 문제를 정의하고 해결해 나가는 '문제 해결형' 학생입니다. 단순히 논문 실적을 쌓는 것에 매몰되지 않고, 생명과학적 난제를 해결하기 위해 다양한 학문 분야를 유연하게 접목할 수 있는 태도가 요구됩니다. 현대의 연구 환경은 컴퓨터만 있다면 전 세계 전문가들의 강의를 통해 부족한 지식을 언제든 보충할 수 있는 열린 구조를 갖추고 있습니다. 따라서 특정 기술에 대한 선험적인 지식보다는, 목표를 달성하기 위해 끊임없이 배우고 도전하려는 의지가 연구의 성패를 가르는 가장 중요한 요소라고 할 수 있습니다. 이러한 도전 정신을 가진 학생들은 연구실의 자율적인 분위기 속에서 자신만의 독창적인 연구 영역을 구축해 나갑니다.

천종식

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생명과학

[코로나 인터뷰] 석차옥 _단백질 구조 연구가 중요한 이유

단백질은 생명체를 구성하는 핵심적인 분자로, 우리 몸이라는 거대한 기계를 이루는 부품과 같습니다. 기계의 부품이 각기 다른 모양을 지녀야 제 기능을 하듯, 단백질 역시 고유한 단백질 구조를 형성해야만 생명 현상을 유지하는 역할을 수행할 수 있습니다. 따라서 단백질 구조를 명확히 파악하는 일은 생명 현상의 본질을 이해하는 첫걸음이자, 각종 질병의 치료제를 개발하는 데 있어 매우 중요한 토대가 됩니다. 하지만 인간의 직관만으로는 이 복잡한 단백질 구조를 예측하는 것이 거의 불가능에 가깝습니다. 단백질 구조를 예측하는 일은 수십 년간 과학계의 난제로 남아 있습니다. 최근 인공지능 기술인 알파폴드가 등장하며 큰 진전을 이루었지만, 여전히 한계는 존재합니다. 알파폴드는 기존에 축적된 아미노산 서열이 풍부한 경우에만 높은 정확도를 보이기 때문입니다. 아미노산 서열이 부족한 신종 바이러스 단백질의 경우, 인공지능이 제시하는 단백질 구조 중 상당수가 실제와 다를 가능성이 있어 여전히 인간의 정밀한 검토와 연구가 필요합니다. 인공지능은 어디까지나 연구를 돕는 도구로서 그 가치를 지닙니다. 실제 연구 현장에서는 초저온 전자현미경을 활용해 단백질 구조를 직접 관찰하기도 하지만, 이 과정에는 막대한 비용과 시간이 소요됩니다. 또한 이렇게 얻은 구조 정보조차 전체의 80~90% 수준에 그치는 불완전한 경우가 많습니다. 현재 진행 중인 연구는 이러한 불완전한 구조 정보의 빈틈을 메워 100%의 완성된 모델을 만드는 데 집중하고 있습니다. 이는 단백질이 실제로 어떻게 움직이고 상호작용하는지 정밀하게 분석하기 위한 필수적인 기초 작업이며, 계산과학이 실험의 한계를 보완하는 지점이기도 합니다. 과학자로서의 삶은 끊임없는 고민과 슬럼프의 연속이기도 합니다. 학문적 성취에 대한 압박이나 진로에 대한 불안감은 누구에게나 찾아올 수 있는 시련입니다. 하지만 생명의 탄생을 직접 경험하며 삶의 가치를 새롭게 발견하거나, 직책이라는 외적인 조건보다 과학 그 자체를 즐기려는 마음가짐을 가질 때 비로소 어려움을 극복할 수 있습니다. 내가 지금 과학을 하고 있다는 사실 그 자체에 집중하며 마음을 비우는 태도는 연구자로서 긴 여정을 지속하게 하는 가장 큰 원동력이 됩니다. 연구에 몰입하다 보면 신체적인 건강을 소홀히 하기 쉽지만, 건강한 몸은 곧 건강한 연구의 밑바탕이 됩니다. 척추 건강을 위해 시작한 달리기나 한국무용은 단순한 운동을 넘어 정신 수양의 도구가 되기도 합니다. 특히 한국무용은 자신의 몸을 깊이 들여다보게 하며 예술적 욕구까지 충족시켜 주는 훌륭한 활동입니다. 연구실 환경을 좌식으로 꾸미고 틈틈이 몸을 돌보는 등의 노력은 지속 가능한 연구를 위해 반드시 필요합니다. 몸과 마음의 균형을 찾는 과정은 결국 더 나은 연구 결과로 이어지기 마련입니다.

석차옥

카오스재단코로나19 과학토크

화학
생명과학

[석학인터뷰] 류형돈_인간은 왜 늙고 노화할까요? | 2019 가을 카오스강연 '도대체 都大體'

생물학적 관점에서 노화는 엔트로피에 의해 신체 부속품이 망가지는 속도와 이를 수리하는 속도 사이의 균형으로 설명됩니다. 불로장생하거나 장수하는 생물들은 대개 뛰어난 수리 능력을 갖추고 있습니다. 반면, 수리보다는 다른 기능에 에너지를 집중하는 생명체들은 상대적으로 빨리 늙는 경향이 있습니다. 예를 들어 말미잘은 손상된 부위를 완벽하게 고치며 노화를 억제하지만, 그 대가로 뇌나 근육 같은 복잡한 기관을 발달시키지 못했다는 특징이 있습니다. 성장과 노화의 상관관계는 생물 종마다 다르게 나타납니다. 박테리아처럼 성장이 노화로 이어지지 않는 경우도 있지만, 포유류를 포함한 많은 유성생식 생명체에서는 성장이 빠를수록 노화도 촉진되는 특성을 보입니다. 같은 종 내에서도 덩치가 큰 개체들이 더 빨리 늙는 사례가 많으며, 인간의 경우에도 과도한 성장을 유발하는 거인증 환자들이 젊은 나이에 각종 질환에 시달리는 반면, 저신장증을 가진 이들은 노화 관련 질병의 빈도가 낮다는 연구 결과가 존재합니다. 현재 인류의 최대 수명은 약 120세 정도로 추정되며, 이는 통계적으로 벨 커브 형태의 분포를 보입니다. 사회가 건강해짐에 따라 120세에 도달하는 사람들의 숫자는 점차 늘어날 수 있겠지만, 생물학적 한계 자체가 단기간에 확장될 징후는 뚜렷하지 않습니다. 따라서 수명의 한계를 무리하게 늘리는 것보다는 주어진 시간 동안 얼마나 건강하게 삶을 유지하며 노화 관련 질병을 예방하느냐가 현대 과학의 중요한 화두가 되고 있습니다. 과학적 발견의 과정은 때로 스릴러 영화처럼 흥미진진한 전개를 보여주기도 합니다. 제임스 왓슨의 저서 '이중나선'은 DNA 구조를 발견하기까지의 치열한 경쟁과 갈등을 생생하게 묘사하여 많은 젊은 과학자들에게 영감을 주었습니다. 이러한 기록들은 발견이 단순히 실험실 안의 정적인 작업이 아니라, 때로는 타인의 데이터를 참고하거나 경쟁하는 것과 같은 인간적인 욕망과 열정이 뒤섞인 역동적인 과정임을 잘 보여주는 사례라고 할 수 있습니다. 대중에게 과학적 원리를 전달하는 것은 연구만큼이나 가치 있는 일입니다. 전문적인 논문을 쓰는 것에서 나아가, 일반인들이 노화의 과학을 쉽게 이해할 수 있도록 일상적인 일화와 옛날이야기를 곁들인 서적을 집필하는 시도가 이어지고 있습니다. 과학적 지식이 상아탑 안에만 머물지 않고 대중의 흥미와 결합할 때, 비로소 더 많은 이들이 과학적 사고의 즐거움을 느끼고 건강한 삶에 대한 통찰을 얻을 수 있게 되며 연구자 또한 보람을 느끼게 됩니다.

류형돈

카오스재단카오스강연

생명과학

[강연] 에너지와 엔트로피: 세상은 무엇으로 굴러갈까? _ by김성근｜ 2018 가을 카오스 강연 '화학의 미스터리, CheMystery' 1강 | 1강 ①

화학은 우리 주변에서 일어나는 모든 변화를 다루는 아주 중요한 학문입니다. 많은 이들이 화학을 어렵고 복잡하게 느끼지만, 사실 그 이면에는 오묘하고 흥미로운 미스터리가 가득 숨겨져 있습니다. 물질의 구조가 기능을 결정하고, 그 구조를 인위적으로 설계하여 만들어내는 과정은 마치 건축가가 정교한 집을 짓는 것과 같습니다. 이러한 변화를 이해하는 것은 세상을 구성하는 근본적인 원리를 깨닫고 우리 삶을 풍요롭게 만드는 첫걸음이 됩니다. 모든 화학적 변화를 일으키는 근본적인 동력은 바로 에너지입니다. 에너지는 물질의 상태를 바꾸고 물리적, 화학적 변화를 유도하는 핵심 요소입니다. 특히 화학 결합 내부에 잠재적으로 저장된 에너지를 엔탈피라고 부르는데, 이는 자극을 주면 언제든 밖으로 뿜어져 나올 준비가 된 에너지입니다. 대부분의 반응은 에너지 장벽을 넘어야 일어나며, 이 과정을 통해 에너지는 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르며 안정한 상태를 찾아갑니다. 화학의 진정한 가치는 단순히 자연을 관찰하는 데 그치지 않고 새로운 물질을 만들어내는 합성에 있습니다. 예를 들어 강력한 항암제인 택솔은 원래 희귀한 나무에서 추출했으나, 화학자들의 노력을 통해 인공적으로 합성할 수 있게 되었습니다. 이는 자연을 훼손하지 않으면서도 인류에게 필요한 솔루션을 제공하는 화학의 힘을 보여줍니다. 유기화학자는 복잡한 분자를 설계하고 조립하는 분자 건축가로서 세상에 없던 새로운 가치를 창조합니다. 우리가 일상에서 접하는 물질들은 상상할 수 없을 만큼 무수히 많은 분자로 이루어져 있습니다. 눈물 한 방울에 담긴 물 분자의 개수는 약 10의 21승 개에 달하며, 이를 전 인류가 밤낮없이 센다고 해도 수만 년이 걸릴 정도입니다. 이처럼 거대한 숫자의 입자를 다루기 때문에 화학은 개별 원자의 움직임을 넘어 통계적인 관점에서 접근해야 합니다. 이러한 인식의 격차를 이해할 때 비로소 거시적인 화학 현상의 본질에 다가갈 수 있습니다. 자연계의 변화에는 일정한 방향성이 존재하는데, 이를 설명하는 개념이 바로 엔트로피입니다. 향수 냄새가 방 안으로 퍼지거나 잉크가 물속에서 확산하는 현상은 에너지가 보존됨에도 불구하고 결코 스스로 되돌아오지 않습니다. 이는 자연이 어떤 의지를 가진 것이 아니라 순전히 확률의 게임이기 때문입니다. 무질서도가 증가하는 방향, 즉 경우의 수가 가장 많은 상태로 나아가는 것이 우주의 자연스러운 흐름이며 이를 열역학 제2법칙이라 합니다. 루트비히 볼츠만은 엔트로피를 통계적으로 정의하며 비가역성의 원리를 규명했습니다. 입자의 개수가 무수히 많아지면 특정 상태로 다시 돌아올 확률은 수학적으로는 존재할지 몰라도 현실적으로는 0에 수렴하게 됩니다. 공기 입자들이 우연히 방 한구석으로 몰려 우리가 숨을 쉬지 못하게 될 확률이 없는 이유도 바로 여기에 있습니다. 이러한 통계적 필연성은 시간이 한 방향으로만 흐르는 '시간의 화살'을 만들어내며 거시 세계의 질서를 유지합니다. 생명체는 엔트로피가 증가하는 우주의 흐름 속에서 질서를 유지하는 독특한 존재입니다. 우리는 외부로부터 에너지를 섭취하고 대사 과정을 거침으로써 내부의 무질서도를 낮추고 정교한 구조를 유지합니다. 이는 열역학 법칙에 위배되는 것이 아니라, 우주 전체의 엔트로피를 증가시키는 대가로 국소적인 질서를 창조하는 과정입니다. 결국 에너지와 엔트로피를 이해하는 것은 생명의 탄생과 우주의 운명을 관통하는 거대한 미스터리를 푸는 열쇠가 됩니다.

김성근, 성재영

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화학

[석학인터뷰] 신의철_ 면역학 수업 첫 날, 운명처럼 꽂혔습니다 | 2018 노벨상 해설강연

의과대학 시절, 임상 의사보다는 과학을 탐구하는 의사가 되고 싶었던 한 청년은 우연히 접한 면역학 강의에서 인생의 전환점을 맞이했습니다. 복잡한 면역계를 명쾌하게 설명하는 강의에 매료된 그는 그날 이후 면역학이라는 학문의 깊은 바다에 빠져들게 되었습니다. 단순히 질병을 치료하는 것을 넘어, 우리 몸의 방어 기전을 과학적으로 이해하려는 열정은 수십 년이 지난 지금까지도 변함없이 이어지고 있습니다. 이러한 순수한 호기심과 탐구 정신은 그를 대한민국을 대표하는 면역학 전문가로 성장시킨 원동력이 되었습니다. 메르스 사태와 같은 국가적 방역 위기를 겪으며 우리는 과학적이고 합리적인 태도의 중요성을 절실히 깨달았습니다. 감염병 확산을 막기 위해서는 백신 개발과 같은 기술적 준비도 필요하지만, 무엇보다 시민 개개인이 과학적 사고를 바탕으로 행동하는 것이 중요합니다. 내가 감염되었을지도 모른다는 가정 하에 '어떻게 행동하는 것이 공동체에 이로운가'를 고민하는 합리성이 사회 전반에 뿌리내려야 합니다. 전문가의 역학 조사와 더불어 성숙한 시민 의식이 결합될 때, 우리는 비로소 예상치 못한 바이러스의 위협으로부터 스스로를 안전하게 지켜낼 수 있을 것입니다. 현재 면역학 연구의 화두는 면역계가 오히려 우리 몸을 공격하는 특이한 사례들을 규명하는 데 있습니다. 바이러스를 제거해야 할 면역 반응이 과도하게 작동하여 신체를 망가뜨리는 기전을 이해하는 것은 난치병 치료의 새로운 열쇠가 될 수 있습니다. 연구자는 이러한 과학적 발견이 실제 질병 치료로 이어지기를 꿈꾸며 오늘도 실험실을 지킵니다. 한편으로 그는 훗날 동네 서점 주인이 되어 아이들과 함께 책을 읽는 소박한 꿈을 꾸기도 합니다. 과학자로서의 치열한 삶과 책을 사랑하는 인간적인 면모는 그가 추구하는 진정한 행복의 두 축을 이룹니다.

신의철

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생명과학
융합

[석학인터뷰] 김석희_ 넓게 공부하라! | 2018 노벨상 해설강연

어린 시절의 호기심은 과학자로 성장하는 데 가장 중요한 밑거름이 됩니다. 질문이 많아 주변 사람들을 곤혹스럽게 했던 소년은 자라나 생화학의 길을 걷게 되었습니다. 생화학은 생물학과 화학의 경계에 있는 학문이지만, 진정한 전문가가 되기 위해서는 특정 분야에 매몰되지 않는 유연한 태도가 필요합니다. 물리학이나 수학처럼 다소 어렵게 느껴지는 기초 학문이라 할지라도 이를 배제하지 않고 폭넓게 섭렵하는 것이 중요합니다. 이러한 학문적 저변은 훗날 생명현상을 깊이 있게 이해하고 질병 치료를 위한 창의적인 아이디어를 도출하는 데 있어 단단한 토대가 되어줄 것입니다. 생명과학의 궁극적인 목표 중 하나는 질병을 치료하고 생명의 신비를 밝히는 것입니다. 이를 위해 분자 수준에서 물질을 다루고 이를 활용하는 연구는 필수적입니다. 특히 앞으로의 연구 과제는 진화라는 거대한 흐름을 분자 단위에서 어떻게 해석하고 다룰 것인가에 집중되어 있습니다. 세포 수준에서 일어나는 복잡한 진화 과정을 분자적 관점에서 명확히 규명할 수 있는 새로운 방법론을 찾는 일은 현대 과학이 마주한 흥미로운 도전입니다. 이러한 연구는 단순히 지식의 확장을 넘어, 생명 시스템을 보다 정교하게 제어하고 응용할 수 있는 새로운 지평을 열어줄 것으로 기대됩니다. 학계에 몸담은 교육자로서의 보람은 자신의 연구 성과를 넘어 다음 세대와의 교감에서 비롯됩니다. 수십 년의 세월 동안 끊임없이 유입되는 학생들과 대화하며 서로의 생각을 나누는 과정은 그 자체로 소중한 경험입니다. 서로 다른 배경과 경험을 가진 이들이 만나 공통의 주제로 소통할 때, 선배 과학자의 경험은 학생들의 미래를 설계하는 이정표가 됩니다. 가르치는 입장이지만 동시에 학생들로부터 배우며 성장하는 관계를 지향하는 것은 학문의 연속성을 유지하는 힘입니다. 지식의 전달을 넘어 삶의 방향을 함께 고민하는 교육적 가치는 과학자가 추구해야 할 또 다른 중요한 사명이라 할 수 있습니다.

김석희

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화학
융합

[강연] 수학과 생물학의 아름다운 만남, 수리생물학 (3) _ by김재경 | 2018 봄 카오스 강연 '모든 것의 수數다' 7강 | 7강 ③

생체 시계의 핵심인 피리어드 단백질은 인산화라는 과정을 통해 분해됩니다. 이 과정은 마치 고속도로와 정체된 도로처럼 두 가지 경로로 나뉘는데, 어느 위치에 인산화가 일어나는지에 따라 단백질의 운명이 결정됩니다. 특정 위치에 인산화가 되면 단백질 구조가 급격히 변하며 즉각 분해되는 '시한폭탄' 같은 역할을 하고, 다른 위치에서는 완만한 변화를 거쳐 천천히 분해됩니다. 이러한 인산화 스위치 모델은 생체 시계가 일정한 주기를 유지하는 근본적인 원리를 설명해 줍니다. 복잡한 미분 방정식을 통해 구현된 이 모델은 실제 실험 데이터에서 나타나는 독특한 계단 모양의 곡선을 완벽하게 재현해냈습니다. 특히 온도가 변해도 생체 시계의 주기가 일정하게 유지되는 '온도 보상' 원리를 수학적으로 밝혀낸 점이 주목할 만합니다. 온도가 낮아지면 화학 반응이 느려지지만, 인산화 스위치가 분해 경로의 비율을 조절하여 전체적인 속도를 유지하는 것입니다. 이는 지난 60년간 생명과학계의 미스터리였던 현상을 수학적 통찰로 풀어낸 쾌거라 할 수 있습니다. 우리의 생체 시계는 외부의 빛 정보와 긴밀하게 연결되어 끊임없이 동기화됩니다. 해외여행 시 겪는 시차 적응 문제는 한국 시간에 맞춰진 내부 시계와 현지의 외부 빛 정보가 충돌하며 발생합니다. 보통 하루에 한 시간 정도만 스스로 조절되기에 완전한 적응에는 긴 시간이 필요하지만, 수학적 모델링을 활용하면 최적의 빛 노출 시간을 계산해 적응 속도를 높일 수 있습니다. 빛은 단순한 조명이 아니라 우리 몸의 시계 장치를 조절하는 가장 강력한 외부 신호로 작용하기 때문입니다. 생체 시계의 불균형은 단순한 피로를 넘어 암, 당뇨, 우울증 등 심각한 질병의 원인이 되기도 합니다. 특히 교대 근무자나 노화로 인해 시계 기능이 약해진 경우 이러한 위험에 더 노출됩니다. 이를 해결하기 위해 특정 시간에 약물을 투여하여 시계를 조절하는 '시간 요법(크로노테라피)' 연구가 활발히 진행 중입니다. 항암제나 예방 접종조차 투여 시간에 따라 효과가 수배 이상 차이 날 수 있다는 사실은, 우리 몸이 24시간 내내 동일한 상태가 아님을 시사하며 시간 중심 치료의 중요성을 강조합니다. 신약 개발 과정에서 수학자와 물리학자, 의학자가 협력하는 '어벤져스' 팀의 역할은 매우 중요합니다. 생체 시계를 타깃으로 하는 약물은 투여 시점에 따라 효과가 극명하게 달라지며, 때로는 외부의 빛 정보와 약물이 서로 충돌하며 복잡한 반응을 보이기도 합니다. 실험 쥐를 대상으로 한 연구에서 빛이 약물의 효과를 상쇄하려는 현상이 관찰된 것처럼, 생체 시스템은 매우 정교한 항상성을 유지하려 노력합니다. 이러한 복잡한 상호작용을 이해하는 것이 미래 정밀 의료의 핵심이 될 것입니다.

김재경

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생명과학
수학

[강연] 과학자들의 퀴즈와 토론 (2) | 2017 카오스 콘서트 '지구, 생명, 인간' 2부 | 2부 ③

최근 과학계에서는 선천적 유전병 치료를 목적으로 인간 배아의 유전자 편집 기술 연구가 성공하며 큰 반향을 일으켰습니다. 불과 10여 년 전만 해도 인간의 유전자를 인위적으로 편집한다는 것은 실현 불가능한 상상에 불과했으나, 이제는 질병 치료의 영역에서 현실적인 가능성으로 다가오고 있습니다. 미국과 중국, 한국 연구진의 협력으로 이뤄낸 이번 성과는 유전자 편집 기술이 단순한 이론을 넘어 인류의 건강을 지키는 강력한 도구가 될 수 있음을 시사합니다. 하지만 이러한 기술적 진보가 우리 사회에 어떤 파급력을 미칠지에 대해서는 여전히 신중한 고민이 필요합니다. 유전자 편집 기술이 질병 치료를 넘어 외모나 지능 같은 형질을 선택하는 '맞춤형 아기'의 영역으로 확장될 때, 우리는 복잡한 윤리적 질문에 직면하게 됩니다. 전문가들은 인간이 자신에 대한 이해가 여전히 부족하다는 점을 지적하며, 특정 형질을 인위적으로 강화하는 행위가 예상치 못한 부작용을 초래할 수 있다고 경고합니다. 실험 동물과 달리 유전적으로 다양한 인간에게 동일한 유전자 편집 기술을 적용했을 때 나타날 결과는 예측하기 어렵기 때문입니다. 부모가 자녀의 유전적 운명을 독단적으로 결정하는 것이 과연 정당한지에 대한 철학적 논의는 기술 발전 속도만큼이나 중요하게 다뤄져야 할 과제입니다. 인공지능 분야에서도 인간의 모든 능력을 능가하는 '초지능'의 실현 가능성을 두고 열띤 토론이 이어지고 있습니다. 일부에서는 인간 뇌의 구조와 의식의 본질을 완전히 파악하지 못한 상태에서 초지능을 논하는 것은 논리적 비약이라고 주장합니다. 특히 감정과 같은 인간 고유의 영역을 기계가 완벽히 구현할 수 있을지에 대해서는 회의적인 시각이 많습니다. 반면, 바둑이나 체스처럼 특정 분야에서 이미 인간을 압도한 사례를 볼 때, 인간과는 다른 방식으로 작동하는 고도의 지능이 출현하는 것은 시간문제라는 낙관론도 존재합니다. 초지능은 이제 공상 과학 영화 속 소재를 넘어 인류가 대비해야 할 실질적인 미래가 되었습니다. 초지능이 반드시 인간과 동일한 방식으로 사고하거나 감정을 느껴야 하는지에 대해서는 관점의 전환이 필요합니다. 지능의 본질을 기능적인 측면에서 바라본다면, 제3자가 보기에 의식이나 감정이 있는 것처럼 행동하고 복잡한 과업을 수행하는 것만으로도 충분한 가치를 지닐 수 있습니다. 또한, 단 하나의 거대한 초지능이 인류를 지배하는 시나리오보다는 여러 개의 초지능이 서로 상호작용하며 공존하는 형태가 더 현실적일 수 있습니다. 인공지능이 스스로를 개선하고 발전시키는 단계에 진입한다면, 우리가 상상하는 지능의 한계는 더욱 빠르게 확장될 것이며 이는 인류 문명의 새로운 전환점이 될 것입니다. 미래 과학의 핵심인 인공지능과 생명공학은 우리에게 더 많은 시간과 자유를 선사할 잠재력을 가지고 있습니다. 반복적이고 고된 노동을 기계에 맡기고 수명이 연장됨에 따라, 인간은 각자의 개성을 살려 더 가치 있는 일에 몰입할 수 있는 기회를 얻게 될 것입니다. 기술이 고도화될수록 우리는 효율성 너머의 도덕적 기준을 세우고, 공동체의 안녕을 위한 책임감 있는 선택을 내려야 합니다. 급변하는 세상 속에서 중심을 잡고 미래를 설계하는 힘은 결국 우리 스스로가 정립한 철학적 토대 위에서 나올 것이며, 이는 기술보다 앞서 준비되어야 할 인간의 몫입니다.

고형종, 안진호, 이관수, 이대열, 조성배

카오스재단카오스콘서트

생명과학
지구환경과학
뇌인지과학
융합

[강연] 단백질 : 3차원의 마술사 (4) 김성훈 교수 | 2017 봄 카오스강연 '물질에서 생명으로' 4강 | 4강 ④

우리 몸은 수십 조 개의 세포로 이루어진 거대한 유기체입니다. 이 세포들을 구성하고 기능을 수행하게 만드는 핵심 물질은 바로 단백질입니다. 인체의 약 40%를 차지하는 단백질은 생명 현상을 실질적으로 이끌어가는 주역이라 할 수 있습니다. 물리학자가 숫자의 정밀함에 집중한다면, 생물학자는 생명이 가진 유연성과 조화에 주목합니다. 이러한 관점에서 단백질은 우리 몸의 구조를 형성할 뿐만 아니라, 끊임없이 변화하며 생명 활동을 이어가는 역동적인 기초가 됩니다. 생명체 내의 세포는 끊임없이 재생되지만, 모든 부위가 같은 방식으로 회복되는 것은 아닙니다. 혈액 세포처럼 활발하게 다시 만들어지는 부분이 있는 반면, 신경세포처럼 한 번 손상되면 재생이 어려운 조직도 존재합니다. 이러한 재생의 한계를 극복하기 위해 현대 과학은 줄기세포 연구에 매진하고 있습니다. 특히 척수 마비와 같은 신경 손상을 회복시키려는 노력은 생명의 연속성을 확보하려는 인류의 의지를 보여줍니다. 재생 가능한 영역과 그렇지 못한 영역을 이해하는 것은 우리 몸을 보호하는 첫걸음입니다. 인간 게놈 프로젝트를 통해 밝혀진 유전자의 수는 약 2만 개에서 2만 5천 개 사이입니다. 하지만 우리 몸에서 실제로 활동하는 단백질의 종류는 100만 가지가 넘습니다. 유전자 수와 단백질 수 사이의 이 거대한 차이를 'N-패러독스'라고 부릅니다. 이는 설계도인 DNA의 정보보다 실제 현장에서 일어나는 변화가 훨씬 더 복잡하고 다양함을 의미합니다. 생명은 단순히 고정된 정보를 복제하는 과정이 아니라, 주어진 정보를 바탕으로 무수히 많은 가능성을 창조해 나가는 예술적인 과정이라 할 수 있습니다. 단백질의 다양성은 유전자가 결정된 이후에 일어나는 역동적인 변화에서 기인합니다. 하나의 유전자에서 만들어진 단백질이라도 인산화, 아세틸화, 메틸화와 같은 다양한 단백질 변형 과정을 거치며 수백 가지의 다른 형태와 기능을 갖게 됩니다. 이러한 단백질 변형은 유전자가 직접 조절하지 않는 영역으로, 생명체가 환경에 적응하고 복잡한 기능을 수행할 수 있게 하는 핵심 기작입니다. 아미노산 서열이라는 기본 틀 위에 덧입혀지는 이러한 변화들이 모여 생명의 경이로운 복잡성을 완성하게 됩니다. 생명체를 구성하는 거대 고분자에는 네 가지 핵심 요소가 있습니다. 유전 정보를 담은 핵산, 기능을 수행하는 단백질, 에너지원이 되는 탄수화물, 그리고 세포의 경계를 만드는 지질이 그것입니다. 만약 우리가 외계에서 생명의 흔적을 찾는다면 가장 먼저 이 네 가지 물질의 존재 여부를 확인할 것입니다. 이들은 각각 독립적인 역할을 수행하면서도 서로 긴밀하게 상호작용하며 생명이라는 시스템을 유지합니다. 특히 단백질은 DNA를 복제하고 RNA를 전사하는 효소로서 다른 고분자들의 생성과 유지에도 깊이 관여합니다. 생명 현상의 중심 원리인 '센트럴 도그마' 과정에는 오류를 방지하기 위한 정교한 편집 기작들이 존재합니다. DNA 복제나 단백질 번역 과정에서 실수가 발생하면 세포는 이를 즉시 수정하거나, 잘못 만들어진 단백질을 빠르게 제거하여 시스템의 붕괴를 막습니다. 만약 치명적인 오류가 발생하여 수정이 불가능할 경우, 해당 세포는 스스로 사멸하는 방식을 택하기도 합니다. 이러한 다중 안전장치는 수십억 년 동안 생명이 멸종하지 않고 이어져 올 수 있었던 비결이며, 생명체가 가진 놀라운 정밀함을 대변합니다. 생명은 안정성과 유동성이라는 두 축 사이의 절묘한 균형 위에서 존재합니다. 정보를 보존하려는 DNA의 안정성과 기능을 수행하기 위해 변화를 수용하는 단백질의 역동성은 서로 대립하는 듯 보이지만 사실은 생존을 위한 최고의 파트너입니다. 이러한 생명의 원리는 우리 사회의 구조와도 닮아 있습니다. 다양성을 포용하고 변화에 유연하게 대응하면서도 핵심적인 가치를 지켜나가는 조화로움이야말로 생명이 우리에게 주는 가장 큰 가르침입니다. 우리는 단백질의 세계를 통해 생명의 신비와 삶의 지혜를 동시에 배울 수 있습니다.

김성훈, 신석민, 한병우

카오스재단카오스강연

생명과학

[강연] 단백질 : 3차원의 마술사 (3) 김성훈 교수 | 2017 봄 카오스강연 '물질에서 생명으로' 4강 | 4강 ③

단백질은 우리 몸을 구성하고 생명 현상을 유지하는 핵심 물질이지만, 때로는 질병을 일으키는 '하이드'와 같은 양면성을 지니고 있습니다. 정상적인 구조를 유지하던 단백질이 열이나 외부 요인에 의해 변성되면 서로 엉겨 붙어 침전물을 형성하게 됩니다. 이러한 현상은 신경세포를 손상시켜 치매나 파킨슨병과 같은 퇴행성 질환의 원인이 되기도 합니다. 따라서 단백질의 구조적 안정성을 이해하는 것은 생명 유지뿐만 아니라 질병 치료를 위해서도 매우 중요한 과제입니다. 생명체 내에서 DNA가 유전 정보를 안정적으로 보존하는 역할을 한다면, 단백질은 역동적인 움직임을 통해 실질적인 기능을 수행합니다. 단백질은 고정된 형태에 머무르지 않고 유동적인 구조를 가짐으로써 환경 변화에 적응하고 다양한 생화학 반응에 참여합니다. 우리 몸은 단백질이 적절한 양과 올바른 구조를 유지하도록 단백질 항상성을 조절하는 정교한 시스템을 갖추고 있으며, 변성 과정에 있는 단백질을 다시 교정하는 보호 장치들을 통해 건강을 유지합니다. 단백질의 복잡성은 단순히 아미노산 서열에서 끝나는 것이 아니라, 합성 이후에 일어나는 '번역 후 변형' 과정을 통해 더욱 심화됩니다. 수천 가지 이상의 다양한 변화를 거치며 단백질은 비로소 고유의 기능을 완성하게 되는데, 이 조절 과정에 문제가 생기면 심각한 질환으로 이어질 수 있습니다. 하나의 유전자로부터 파생된 단백질이 여러 가지 형태와 기능을 가질 수 있다는 점은 생명 현상의 신비로움을 보여주는 동시에, 우리가 탐구해야 할 영역이 무궁무진함을 시사합니다. 최근 4차 산업혁명의 핵심 기술인 인공지능(AI)은 단백질 연구 분야에서도 혁신적인 변화를 일으키고 있습니다. 방대한 데이터를 학습한 AI는 복잡한 단백질 구조를 예측하고, 자연계에 존재하지 않는 새로운 기능의 단백질을 설계하는 데 활용됩니다. 이는 마치 바둑의 기보를 학습한 알파고처럼, 아미노산의 조합을 통해 최적의 구조를 찾아내는 과정입니다. 이러한 기술적 진보는 고효율 인공 효소 개발이나 맞춤형 신약 설계의 가능성을 열어주고 있습니다. 결국 생명과학 연구의 궁극적인 지향점은 인류의 건강 증진과 질병 치료에 있습니다. 우리 몸에서 일어나는 대부분의 생리 현상과 질병의 원인이 단백질과 밀접하게 연관되어 있기에, 단백질은 가장 실질적이고 중요한 치료 표적이 됩니다. DNA나 RNA 연구가 생명의 설계도를 이해하는 과정이라면, 단백질 연구는 그 설계도를 바탕으로 지어진 건물을 유지하고 보수하는 실천적인 학문입니다. 앞으로도 단백질에 대한 깊이 있는 연구는 인류의 삶의 질을 높이는 핵심 동력이 될 것입니다.

김성훈, 신석민, 한병우

카오스재단카오스강연

생명과학

[강연] 리보핵산 : 최초의 생명물질로부터 메신저까지 (4) _ 김빛내리 교수 | 2017 봄 카오스강연 '물질에서 생명으로' 3강 | 3강 ④

생명체 내에서 유전 정보가 발현되는 과정은 매우 정교한 조절을 받습니다. 특히 마이크로 RNA(miRNA)는 특정 유전자의 발현을 억제하거나 조절하는 핵심적인 역할을 수행합니다. 이러한 조절은 단순히 RNA가 만들어지는 단계에만 국한되지 않습니다. 전사 인자라 불리는 단백질들이 특정 유전자를 선택적으로 활성화하며, 합성된 RNA가 얼마나 빠르게 분해되는지에 따라서도 그 농도가 결정됩니다. 즉, 세포는 필요에 따라 합성 속도를 높이거나 분해 속도를 늦추는 방식으로 생체 물질의 양을 세밀하게 관리하며 생명 활동을 유지합니다. RNA는 단순히 생성되는 것만으로 기능을 다하는 것이 아닙니다. 마치 요리에 양념을 치듯, 적절한 가공 과정을 거쳐야만 비로소 활성을 띠게 됩니다. 또한, 합성된 장소에서 실제 역할을 수행해야 하는 장소로 정확하게 이동하는 배치 과정 역시 필수적입니다. 아무리 중요한 물질이라도 엉뚱한 위치에 있으면 제 기능을 발휘할 수 없기 때문입니다. 이처럼 양과 활성도, 그리고 적절한 위치 선정이라는 세 가지 차원의 조절 기작이 수백 가지 방법으로 얽혀 작용함으로써 우리 몸의 복잡한 생물학적 시스템이 원활하게 돌아가게 됩니다. 유전 정보를 활용한 친자 확인이나 혈연관계 분석은 현대 과학의 대중적인 응용 사례 중 하나입니다. 흔히 드라마 등 매체에서 손자나 손녀의 판별이 어렵다는 오해가 퍼지기도 하지만, 실제로는 DNA 마커를 통해 세대를 건너뛴 혈연관계도 명확하게 판별할 수 있습니다. DNA는 변하지 않는 고유의 정보를 담고 있어 숫자로 명확한 결과를 제시해주기 때문입니다. 굳이 RNA를 사용하지 않더라도 DNA만으로 충분히 정밀한 분석이 가능하며, 이는 유전학적 정보가 얼마나 강력하고 속일 수 없는 생명의 설계도인지를 잘 보여주는 대목이라 할 수 있습니다. 세포는 외부 환경의 변화에 민감하게 반응하며 유전자 발현을 조절합니다. 호르몬이나 신경 신호, 심지어 스트레스와 같은 요인들도 마이크로 RNA(miRNA)의 생성과 가공 과정에 깊이 관여합니다. 예를 들어 신경 세포가 활성화될 때 특정 miRNA가 더 많이 만들어지거나 활동성이 변한다는 연구 결과는 환경이 생물학적 반응을 이끌어내는 중요한 변수임을 시사합니다. 세포별로 발현 양상이 다른 이유 역시 이러한 주변 환경 요인이 특정 유전자의 스위치를 켜거나 끄는 결정적인 포인트로 작용하기 때문이며, 이는 생명체의 뛰어난 적응력을 뒷받침합니다. 우리 몸을 구성하는 수조 개의 세포는 놀랍게도 거의 동일한 DNA를 공유하고 있습니다. 그럼에도 불구하고 어떤 세포는 간이 되고 어떤 세포는 뇌가 되는 이유는 분화 과정에서 특정 유전자만 선택적으로 발현되기 때문입니다. 발생 초기 단계에서 세포들은 위치에 따라 좌표를 설정하고, 주변 세포와 협력하며 각자의 역할을 찾아갑니다. 이 과정에서 불필요한 유전자의 발현을 완전히 차단하는 조절이 일어나는데, 여성의 두 X 염색체 중 하나를 불활성화하는 'Xist' RNA처럼 비부호화 RNA가 유전체 전체의 발현을 제어하는 중요한 열쇠가 되기도 합니다. 최근 주목받는 RNA 백신 기술은 특정 항원을 코딩하는 mRNA를 세포에 주입하여 면역 반응을 유도하는 원리를 이용합니다. 표적 항원을 선별하는 과정에서 여러 후보군을 빠르게 테스트할 수 있다는 점은 RNA 기술의 큰 장점입니다. 더 나아가 유전자 과다 발현으로 발생하는 다운 증후군과 같은 질환에서도 RNA 조절 기작을 응용하려는 아이디어가 제시되고 있습니다. 특정 염색체의 발현 농도를 낮추는 방식으로 디자인된 RNA 치료제가 개발된다면, 이는 기존의 한계를 뛰어넘는 혁신적인 치료법이 될 수 있으며 생명공학의 무한한 가능성을 보여주는 사례가 될 것입니다. 질병의 원인이 되는 돌연변이는 유전적 요인, 환경적 요인, 그리고 DNA 복제 과정에서의 무작위적 오류라는 세 가지 경로로 발생합니다. 특히 암의 경우 부모로부터 물려받은 유전적 영향보다는 세포 분열 시 발생하는 무작위적인 복제 오류가 더 큰 비중을 차지한다는 연구 결과가 있습니다. 이는 건강한 생활 습관만으로 모든 질병을 막을 수 없음을 의미하는 동시에, 생명 현상에 내재된 확률적 특성을 보여줍니다. 결국 생명은 정교한 조절 시스템과 불가피한 오류 사이의 균형 속에서 진화해 왔으며, 이를 이해하는 것이 현대 의생명과학의 핵심 과제입니다.

강창원, 김빛내리, 정선주

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